与条形码等传统识别方式相比, RFID 标签抗污染能力强、无须直接接触、无须光学可视、无须人工干预即可完成信息输入和处理, 操作方便快捷[1]。超高频 (UHF) RFID标签的感应距离远、读取速度快, 抗干扰能力强, 适当的条件下识别率高[2], 可识别运动物体并可同时识别多个标签[3], 广泛地用于物品追溯[4,5]、供应链[6,7]和人员跟踪等。RFID技术能够实现仓储管理的快速入库和出库, 大幅度降低库存盘点人力资源[8,9]。

当前UHF RFID标签的价格仍然较高, UHF RFID阅读器价格昂贵, 这制约了RFID技术在中小型仓储中的应用。通过对仓储物品信息编码, 入库时关联RFID标签, 出库后更新管理数据并解除关联, 使RFID标签得以循环重复使用, 降低RFID标签使用成本;利用静态字典编码和线性表顺序存储在RFID阅读器同步保存仓储数据, 提高仓储管理的灵活性。从而有效促进RFID技术在中小型仓储领域内的规模应用。

如图1所示为基于超高频RFID标签的仓储管理系统, 它由仓储管理数据库和RFID系统组成, 包含RFID阅读器对入库/出库物品信息采集和同步数据库两个过程。RFID系统由RFID标签和阅读器终端组成, 读写器和标签都带有天线, 阅读器可以搜索一定范围内的RFID标签并通信。不同于低频和高频RFID的能量耦合, 超高频无源RFID标签采用反向散射方式工作[10], 标签利用接收到的由读写器发出的射频能量, 将编码信息利用反向散射调制回去, 其工作距离较远[11]。以Ti公司EPC Gen2标签为例, 使用导电银浆印制天线, 响应距离可达7米[12]。

物品入库时, RFID标签粘贴于物品外包装纸箱, RFID阅读器读取RFID标签的EPC存储区数据 (UII码) , 建立RFID标签和物品信息编码关联。物品出库时, 回收粘贴于物品外包装的RFID标签, 便携式终端读取RFID标签的EPC存储 (UII码) , 记录出库信息后同步数据库更新库存并解除该物品和RFID标签的关联。解除关联信息后的RFID标签备循环重复使用。

图1 基于超高频RFID标签的仓储管理系统  下载原图

仓储管理数据库作为仓储管理的服务器, 通过USB连接RFID阅读器实现数据同步, 将RFID阅读器在物品入库/出库时采集信息及时更新管理数据库。RFID阅读器同步其出库信息后, 解除RFID的关联信息, 阅读器上只保留仓储库存物品的标签关联信息。

物品信息编码是RFID阅读器存储RFID标签对应仓储物品信息的基础。通过对物品信息编码压缩, RFID阅读器高效存储数目庞大的入/出库物品信息并同步管理数据库。如表1所示, 为了完整地记录入库物品信息, 物品信息编码包括类别、品名、入库时间、出库时间、货位号、供货方以及提货方。

表1 仓储物品信息编码 导出到EXCEL

在物品编码信息中, 类别的划分是用于方便货物分类存储的;品名是物品的商品名称, 是物流过程的统一名称;入库时间和出库时间是分别对应入库附加RFID标签的时间和出库移除RFID标签的时间, 并据其分析入库和出库情况、统计仓储和管理库存;货位号是物品堆码的位置编号, 供货方和提货方分别表征物品入库来源和出库去向。

字典编码 (dictionary coding) 是文本压缩的分支之一, 属于无损压缩。仓储物品编码信息中的类别、品名、供货方和提货方都是文本信息。由于仓储管理的特点, 在入库前入库申请已进行相关信息的登记, 也就是说这些文本信息是管理数据库预先知道的, 可以采用静态字典编码。

具体的编码方法是将管理数据库中预先知道的文本信息如类别、品名、供货方和提货方分别按其字符串首字拼音顺序排列, 构建成静态字典, 字符串对应顺序的编码。如类别字典中的第一个条目为“安防器材”, 对应8比特二进制编码为“0000 0001”。

静态字典条目的容量取决与编码的长度, 8比特编码最大可以包含255个条目, 16比特编码最大可以包含65535个条目, 能满足仓储物品的类别、品名、供货方和提货方的编码需求。当管理数据库对静态字典添加条目及其编码, 只需要对RFID阅读器进行同步更新编码字典。

入库时间和出库时间包含日期和时钟两部分, 日期编码为16比特, 时钟编码16比特。

日期的编码方式以过去的某一天为基准日, 将当前日期减去基准日来实现日期的编码。如以2010年12月31日为基准日, 如果入库日期为2011年3月1日, 则只需要存储60;若编码值为75 则日期为2011年3月15日。存储16位时, 周期为179年201天。

采用同样的方法对时钟进行编码, 以0时0分作为基准, 当前时钟减去基准时钟来实现时钟的编码。如入库时钟为14时30分, 则存储870;若编码值为575, 则时钟为9时35分。

日期和时钟各自使用16比特二进制编码合并得到时间的编码, 以2011年3月15日9时35分为例, 时间编码的十六进制表达为“00 4b 02 3f ”。

目前超高频无源RFID标签广泛使用EPC Gen2标签, 它符合ISO/IEC 18000-6C标准, 使用规模大, 价格也相对较低。EPC Gen2标签中, 16比特为1字, 其存储器空间分为保留内存、EPC存储器、TID存储器和用户存储器四个存储体 (见图2) 。

图2 RFID 标签存储空间  下载原图

存储体0是保留内存, 包含32位的灭活口令 (Kill Password) 和访问口令 (Access Password) 。访问口令保护标签锁存/解锁操作, 灭活口令保护标签灭活操作。

存储体1是EPC存储器, 其自低地址往高地址依次为CRC-16、协议控制 (PC) 字和EPC字组。依据ISO18000-6C标准, EPC存储器容量为128比特, CRC-16为16位冗余效验码, 协议控制 (PC) 字指示反向散射的物理层信息, 故可写入数据区为EPC字组, 其容量为96bit。协议控制 (PC) 字和EPC字组合称UII (Unique Item Identifier) 。

存储体2是TID存储器, TID (Tag ID) 电子标签永久不变的唯一标识号, 其内容只读。

存储体3是用户存储器, 用户存储器内数据可读可写。不同标签的用户存储器容量不同, 容量越大价格越高。通常在需要附加离线信息在标签上时才选用较大的用户存储器标签。

RFID标签不同于条形码只标识到类别, RFID标签可以标识到单品。RFID阅读器存储仓储数据表包含RFID标签的ID号 (UII码) 和它标识的仓储物品信息编码两个字段。

由于仓储管理是标签循环使用的闭环应用场合, 可以利用RFID标签EPC存储区的可写入特性, 以顺序增计数编码。这样, 以顺序排列的RFID标签UII码字段就可以省略, 从而使二维表可以以线性表存储。而且, 由于仓储物品信息编码长度固定, 计算线性表中的偏移就可以读取相应的记录。

可重用存储管理系统中, 入库关联RFID标签和出库解除关联是在RFID阅读器上完成的。因而, RFID阅读器是超高频RFID可重用存储管理系统中的关键设备。文中上节已述, RFID标签标识的单一仓储物品编码信息是以线性表存储在RFID阅读器上, 对存储空间进行物理地址读写来实现的。当前市售的基于操作系统Windows CE的RFID阅读器价格昂贵, 其对存储空间进行物理地址读写存储线性表的效率低且实现机制复杂, 故而有必要设计一种不带操作系统方便进行读写物理地址的RFID阅读器, 用于该仓储管理系统。

RFID阅读器在仓储管理是具有键盘输入和屏幕显示的便携式设备, 需要有必需的图形用户界面。μC/GUI是美国Micrium公司出品的一款针对嵌入式系统的优秀图形软件, 其源码公开、可移植、可裁减, 稳定性和可靠性高, 故在本系统中采用了μC/GUI来设计RFID阅读器的图形用户界面, 并在其框架下编程实现仓储数据线性表顺序存储。

仓储管理系统RFID阅读器的硬件系统组成如图3所示, 仓储管理系统RFID阅读器由微处理器LPC1768、超高频RFID模块、32Mbit SPI Flash存储和其他外设组成。LPC1768是NXP公司采用ARM新一代低成本、低功耗Cortex-M3核的32位微处理器, 内置512kB Flash存储、64kB RAM以及8kB 引导存储。为了能保存足够多的存储数据, 扩展32Mbit 串行Flash (如M45PE32) , LPC1768内置高速SSP口可以快速读写SPI Flash。LPC1768连接RFID模块经天线实时读取无源超高频RFID标签。读取的标签数据对应关联的仓储编码信息, 经静态字典解码和时间解压缩后, 标签关联物品信息在μC/GUI设计的用户界面上显示。

图3 RFID阅读器的硬件系统组成  下载原图

基于超高频RFID的仓储管理系统利用超高频RFID标签感应距离远、读取速度快的特点, 显著提高了仓储管理的效率。当前RFID技术大多部署在闭环应用场合, 中小型存储管理系统是典型的闭环应用, RFID标签可重复使用, 这样就有效减低了仓储管理系统的运行成本。

信息编码可以有效减少数据容量和提高存储效率, 仓储物品信息编码压缩成固定长度的序列, 使RFID阅读器能够高效存储仓储数据, 提高了仓储管理的灵活性。通过将RFID阅读器仓储数据同步更新管理数据库, 进一步提升了仓储管理的效率和质量。